第三章 高頻電子

第二章高頻功率放大器2.1概述2.2高頻功率放大器的工作原理2.3高頻功率放大器的分析2.4高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析和外部特性2.5高頻功率放大器的饋電電路和輸出回路2.6高頻功率放大器實(shí)用電路舉例2.7丙類倍頻器2.1概述在無(wú)線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中，為了獲得大功率的高頻信號(hào)，必須采用高頻功率放大器。

按工作頻帶的寬窄一、分類窄帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器（以LC并聯(lián)諧振回路作為負(fù)載，又稱諧振功率放大器）（以傳輸線變壓器或者是電阻作為負(fù)載，無(wú)諧振回路，因此無(wú)選頻功能）（學(xué)習(xí)的重點(diǎn)）按導(dǎo)通時(shí)間分甲類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài)甲、乙、丙主要就是通過(guò)導(dǎo)通角的大小來(lái)判斷。導(dǎo)通角：晶體管導(dǎo)通時(shí)間的一半。甲類工作狀態(tài)：當(dāng)晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通角為１８０度。乙類工作狀態(tài)：當(dāng)晶體管在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通角為９０度。丙類工作狀態(tài)：當(dāng)晶體管的導(dǎo)通周期小于半個(gè)周期但大于四分致意周期時(shí)候。二、高頻功放的工作狀態(tài)高頻功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)。解釋：在低頻電路里面我們學(xué)過(guò)，功率放大器實(shí)質(zhì)就是將直流電源供給的直流功率轉(zhuǎn)換為交流輸出功率。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于三極管存在功耗，當(dāng)三極管處于導(dǎo)通階段的時(shí)候，有許多能量是通過(guò)三極管的內(nèi)阻轉(zhuǎn)換成熱量散發(fā)了。這樣就降低了轉(zhuǎn)換的效率，甚至?xí)谷龢O管因?yàn)榘l(fā)熱過(guò)多而燒掉。因此，希望：三極管的導(dǎo)通時(shí)間盡量的少，這樣可以減少由其內(nèi)阻引起的能量損失。因此，一般采用丙類工作狀態(tài)。存在一個(gè)問(wèn)題值得思考:如果工作在丙類狀態(tài),也就是三極管的導(dǎo)通時(shí)間非常短,則信號(hào)進(jìn)入以后肯定要失真,但事實(shí)上,功率放大器確實(shí)是工作在丙類狀態(tài)的,那么如何來(lái)克服失真問(wèn)題?答案:用LC諧振回路作為負(fù)載信號(hào)失真的原因是在輸出的電壓中產(chǎn)生了許多偕波分量,利用LC諧振回路的選頻作用,可以濾除這些諧波分量,得到我們所需要的已調(diào)信號(hào).由此可以看出:功率放大器的主要部件也是三極管和LC諧振回路。和高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器非常類似。那么是不是完全一樣呢？三、與高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的區(qū)別功率放大器調(diào)諧放大器相同點(diǎn)都工作在高頻段、負(fù)載均采用LC諧振回路諧振回路的作用選擇基波、濾除諧波選擇有用信號(hào)、濾除干擾信號(hào)信號(hào)大小大信號(hào)，工作在非線性狀態(tài)小信號(hào)，工作在線性狀態(tài)工作狀態(tài)丙類甲類主要指標(biāo)效率、輸出功率增益、選擇性、通頻帶2.2高頻功率放大器的工作原理2.2.1高頻功率放大器的電路組成

高頻功率放大器一般工作在發(fā)射機(jī)的末級(jí),以保證需要發(fā)送的信號(hào)具有足夠的輸出功率通過(guò)天線有效地輻射出去。圖2.2所示為高頻功率放大器的實(shí)際電路。圖2.2高頻功率放大器的實(shí)際電路高頻功率放大器主要組成：①晶體管：它在電路中主要起開(kāi)關(guān)控制作用，控制直流能量向交流能量的轉(zhuǎn)變。②電源：高頻功率放大器包括兩個(gè)電源，基極電源UBB和集電極電源UCC。其中UBB主要是設(shè)置合理的工作狀態(tài)，即保證晶體管工作在丙類狀態(tài)（是個(gè)負(fù)電源）；UCC則是提供直流能量（將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能）。③饋電電路：饋電電路包括基極饋電電路（由C1、L1、C2構(gòu)成）和集電極饋電電路（由C3、L2、C4構(gòu)成）。其作用是既保證把電流UBB和UCC饋送到晶體管的各極，又防止交流信號(hào)進(jìn)入直流電源。④耦合回路：高頻功率放大器的輸入端和輸出端均有耦合回路，其中，輸出端的耦合回路也稱為輸出回路（由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA組成）。主要起無(wú)損耗地傳輸高頻信號(hào)及其能量，濾除諧波成分及阻抗匹配的作用。高頻功率放大器的耦合回路可以是LC并聯(lián)諧振回路，也可以是互感耦合回路或各種LC匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出回路是集電極負(fù)載，應(yīng)調(diào)諧在推動(dòng)級(jí)輸出電壓的頻率上，且諧振回路的諧振阻抗應(yīng)滿足工作狀態(tài)所要求的負(fù)載阻抗。C5、L3構(gòu)成諧振回路，其輸出信號(hào)通過(guò)L4、C6、L5耦合到天線發(fā)射出去，故L4、C6、L5也稱為天線回路，CA、RA為天線阻抗。由圖2.2所示的實(shí)際線路可以得出高頻功率放大器的原理電路圖，如圖2.3所示。圖2.3高頻功率放大器原理電路圖

2.2.2高頻功率放大器的工作原理剛才講到高頻功率放大器必須工作在丙類狀態(tài)，也就是要使晶體管在信號(hào)輸入一段時(shí)間后才會(huì)導(dǎo)通。一般操作：通常使晶體管的發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。若設(shè)高頻功率放大器的輸入電壓ub（t）為則晶體管基-射間的總電壓為式中，UBB為負(fù)值。只有當(dāng)uBE的瞬時(shí)值大于晶體管的導(dǎo)通電壓Uj時(shí)，基極導(dǎo)通，才產(chǎn)生基極電流iB和集電極電流iC。由于晶體管只在輸入信號(hào)的部分周期內(nèi)導(dǎo)通，故iB為余弦脈沖，同理，iC也為余弦脈沖。將iB和iC用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)得高頻功率放大器的輸出回路具有選頻作用，若正好諧振在基波頻率上，則其對(duì)于基波電流而言，等效為一個(gè)純電阻；對(duì)各次諧波而言，回路失諧，呈現(xiàn)很小的阻抗。輸出回路中有電感存在，對(duì)直流可看成短路。這樣當(dāng)集電極脈沖電流iC流經(jīng)輸出回路時(shí)，只有基波分量在回路兩端產(chǎn)生較大的電壓降，此電壓為式中，IC1m為基波電流分量的振幅值，Re為輸出回路的有載諧振電阻。集-射間的瞬時(shí)電壓為圖2.4高頻功率放大器的工作原理示意圖

圖2.5高頻功率放大器的電流、電壓工作波形2.3高頻功率放大器的分析2.3.1折線分析法為了對(duì)高頻功率放大器進(jìn)行分析和計(jì)算，通常采用折線法對(duì)晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進(jìn)行處理，即將轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線用折線來(lái)近似代替，如圖2.6所示。圖2.6折線化后的晶體管特性曲線由圖可見(jiàn)，晶體管在放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性可用一條交橫軸于Uj且斜率為gc的直線來(lái)表示，其函數(shù)式為式中，Uj為晶體管導(dǎo)通電壓，gc為晶體管跨導(dǎo)。折線法的好處在于用直線方程取代曲線方程近似表示晶體管特性，使高頻功率放大器的分析和計(jì)算大為簡(jiǎn)化。由于高頻功率放大器工作在大信號(hào)非線性狀態(tài)，因此，工程上采用這一近似方法進(jìn)行定性分析是可行的。2.3.2集電極余弦脈沖電流的分析由前面的討論可知，高頻功率放大器的集電極電流為余弦脈沖形式，將晶體管的轉(zhuǎn)移特性折線化后，iC的波形與uBE的波形在正半周的一部分成線性關(guān)系，其電流和電壓波形示意圖如圖2.7所示，集電極余弦脈沖波形的詳細(xì)示意圖如圖2.8所示。圖2.7晶體管轉(zhuǎn)移特性折線化后的iC和uBE波形圖2.8余弦脈沖波形根據(jù)圖2.8所示的余弦脈沖電流波形可得且所以可見(jiàn)，集電極余弦脈沖電流iC

的大小和形狀完全由最大值ICmax和導(dǎo)通角θ決定。利用傅里葉級(jí)數(shù)將iC展開(kāi)可得式中，各電流分量的幅值為

將代入上面式子進(jìn)行積分式中，、、……分別稱為余弦脈沖的直流、基波，n次諧波的電流分解系數(shù)?？蓪?，，，與通角的關(guān)系制成曲線，如圖2.9所示。

圖2.9余弦脈沖分解系數(shù)與θ關(guān)系曲線

2.3.3高頻功率放大器的功率和效率1.直流功率直流功率直流是指由直流供電電源提供的功率。2.輸出功率p0輸出功率p0是指由電子器件送給諧振回路的基波信號(hào)功率。3.集電極損耗功率Pc高頻功率放大器的工作過(guò)程實(shí)際上是直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率的過(guò)程。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，大部分直流功率變成了交流輸出功率，小部分變成了熱能消耗在晶體管的集電極上，集電極損耗功率PC就是指消耗在集電極上的功率。4.集電極效率ηc為了說(shuō)明高頻功率放大器的能量轉(zhuǎn)換能力，定義集電極效率為式中，ξ

稱為集電極電壓利用系數(shù)，g1(θ)為集電極電流利用系數(shù)，大小與θ有關(guān)。由圖2.9可見(jiàn)，θ越小，g1越大，則效率越高。但當(dāng)θ很小時(shí)，g1增加不多，且造成α1(θ)小，使輸出功率過(guò)小，因此，為了兼顧功率和效率，丙類功率放大器的導(dǎo)通角θ一般在60°~90°之間選擇。2.3.4提高高頻功率放大器效率的途徑根據(jù)效率的定義式中，PC為晶體管集電極損耗功率。上式說(shuō)明，要提高放大器的效率，應(yīng)盡可能減小集電極損耗功率PC。而可見(jiàn)，減小損耗功率的有效方法有以下兩種。①減小PC的積分區(qū)間θ，即減小集電極電流的導(dǎo)通角，但導(dǎo)通角θ過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致輸出功率過(guò)低，故導(dǎo)通角一般不應(yīng)小60°。②減小iC與uCE的乘積，即減小晶體管的瞬時(shí)管耗。由圖2.5可以看出，當(dāng)晶體管集電極電流iC為最大時(shí)，管壓降uCE最小，這時(shí)它們的乘積，即瞬時(shí)管耗最小。而要達(dá)到這個(gè)要求，晶體管的集電極負(fù)載回路必須工作在諧振狀態(tài)。因?yàn)橹C振的時(shí)候回路兩端的電壓最大,此時(shí),Uce就最小了.可見(jiàn)，一旦負(fù)載回路失諧，將導(dǎo)致放大器的損耗功率增加，效率降低。

2.4高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析和外部特性晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性實(shí)際上是在其集電極沒(méi)有外接負(fù)載的情況下獲得的，也稱為靜態(tài)特性。由前面的討論可知，晶體管在放大區(qū)的靜態(tài)特性為

上式表明，在沒(méi)有外接負(fù)載時(shí)，在放大區(qū)，晶體管集電極電流主要受uBE控制，而與uCE無(wú)關(guān)。（2-23）如果集電極接有負(fù)載，則當(dāng)改變uBE使iC變化時(shí)，由于負(fù)載上有電壓降，就必然同時(shí)引起uCE的變化。因此，在考慮了負(fù)載的反作用后，所獲得的uCE、uBE與iC的關(guān)系曲線就叫動(dòng)態(tài)特性曲線。最常用的是當(dāng)uCE、uBE同時(shí)變化時(shí)，表示iC-uCE關(guān)系的動(dòng)態(tài)特性曲線，也稱為負(fù)載線。下面推導(dǎo)高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)線方程。由下圖可知，當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)，其外部電路的關(guān)系為

解上述方程，消去cosωt，得

將式（2-25）代入晶體管在放大區(qū)的特